后摩尔时代的特色工艺不再依赖尺寸，那究竟依赖什么？

hvyikey · 发表于 2019-12-13 15:56:09

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2019年7月11日，在第二届中国（成都）电子展集成电路产业发展高峰论坛上，电子科技大学集成电路中心主任张波教授做了“后摩尔时代的特色工艺及中国发展机遇”的主旨演讲。张波教授从集成电路工艺的发展和特色工艺的特点出发，介绍了中国特色工艺的产业基础和市场环境，并分析了特色工艺在中国的发展机遇。

张波教授表示，说到半导体工艺的发展，怎么也绕不开摩尔定律。1965年，当时还是美国Fairchild公司研发主管的摩尔（Gordon E. Moore）博士为《电子学》杂志撰写了一篇文章“Cramming More Components onto integrated circuits”，预测了集成电路的集成度（一个芯片中集成的晶体管数目）将每年翻一番。1975年，已参与创建Intel的摩尔博士在IEDM（国际电子器件年会）上做了一个主题报告“Progress in digital integrated electronics”，在其报告中，摩尔博士明确将集成电路的集成度发展修订为每两年翻一番。这就是半导体业界著名的“摩尔定律（Moore’s Law）”。摩尔定律长期以来指引着微电子技术的发展，这也是Intel公司很长一段时间坚持两年一代工艺和Tick-Tock 发展战略的依据。
长期以来，集成度的提升靠的是集成电路工艺线宽的缩小，这是一维方向的坚持发展。但随着线宽的持续降低，半导体工艺发展到纳米尺度，带来无论是建厂成本、工艺研发还是产品研制费用的急剧增加，集成电路工艺技术逐渐从单一追求尺寸依赖的先进工艺，向先进工艺（More Moore）、非尺寸依赖的特色工艺（More than Moore）和先进封装三个维度并举发展。
张波教授表示，非尺寸依赖的特色工艺是“02”国家科技重大专项对More than Moore的称谓。 More than Moore，国内很多人称为“超越摩尔定律”，这种直译似乎不够准确，无法反映More than Moore的内涵。
根据More than Moore白皮书对More than Moore的定义，More than Moore是指器件价值或者性能的提升，不完全靠尺寸缩小，而是通过功能的增加。
X-Fab公司是一家专注More than Moore方向的国际著名公司，其对More than Moore的理解，是强调在CMOS工艺上，采用特色技术，集成模拟功能，以提升器件性能和性价比（Integrating analog function into CMOS-based specialty technologies enables cost-optimized and value–added system solutions）。
因此我们把嵌入式非易失性存储工艺eNVM、BiCMOS工艺、RFCMOS工艺、BCD工艺、MEMS工艺，乃至GaAs、GaN、SiC工艺等不完全靠尺寸缩小来提升性能的工艺统称为非尺寸依赖的特色工艺。
特色工艺除了非尺寸依赖，还有何特色呢？我们首先想到的是由于工艺线宽较先进工艺大，因此建厂与生产线维护成本低，同时相较于5nm、7nm等先进工艺，特色工艺相对成熟，产品研发投入相对较少，此外还有啥特色？
特色工艺的另一个特点是由于许多特色工艺产品与应用场景密切相关，因此工艺平台繁多、产品种类庞杂，多种工艺平台共存。如X-FAB的模拟工艺平台，从0.13um到1um七种工艺平台共存，即使0.18um节点的CMOS工艺，又有四种工艺平台，分别对应不同的应用需求。
特色工艺不仅平台多、产品类型多，同一类器件品种还多，如功率MOS器件，美国安森美（ON Semi）公司就高达2500余种，另外还有功率MOS应用时所需的驱动芯片154种。我们再看一下德国英飞凌（Infineon）公司，这家功率半导体器件龙头企业的情形，英飞凌的功率MOS产品电压范围从12V到950V，质量等级从工业级到汽车级，种类高达3315种。前期英飞凌公司介绍其驱动芯片时宣称高达500余种，我们在其官网上也可查到各种拓扑的驱动芯片369种。
为何特色工艺产品品种如此多样？张波教授表示，这是因为很多特色产品都是模拟器件，产品性能与应用场景密切相关。也正是因为这种产品属性，特色工艺产品往往无法形成垄断企业。即使功率半导体分立器件老大，德国英飞凌公司收购了美国IR公司，其市场占有率也只有18.5%，也不能独霸市场。全球前十大功率半导体分立器件厂商加起来也只占据60%左右的市场。这给后来者留下了足够的发展空间。
功率器件如此，扩展到模拟芯片也是如此。根据IC Insights数据，2017年全球前十大模拟芯片厂商销售了约330亿美元，占据了接近61%的市场份额。2018年全球前十大模拟芯片厂商销售了361亿美元，占据了60%的市场份额。模拟芯片市场在扩大，但仍无垄断企业。
张波教授强调也正是特色工艺具有品种众多、与应用强相关，且无垄断企业等特点，构成了中国的发展机遇。
改革开放40年来，我国建立了门类齐全的现代工业体系，工业经济的实力迅速壮大并跃升为世界第一制造大国，也是世界上唯一拥有完整的制造业体系、产品和产业链的大国。世界银行统计数据显示，2017年中国制造业增加值为3.59万亿美元，占全世界的28.57%，是美国和德国制造业增加值的总和，遥遥领先于世界其它国家。这也成就了我们成为全球集成电路应用大国。我国的集成电路消耗量占到全球消耗量的60%。但是在我们大量应用的集成电路中，绝大部分来自进口。这个数据我们做IC的都很熟悉，2018全年IC进口总金额超过3000亿美元（约合人民币2.1万亿元），占我国进口总额的14%左右。但是我们还请注意这样一个事实，进口集成电路的均价只有7毛五，不足一美元。在我们进口的集成电路产品中，除了大量进口动辄数百美元的高端CPU外，还大量进口了不需要先进工艺的分立器件、电源管理集成电路、通用处理器、控制器等。因此我们可以说，特色工艺产品，国产替代空间巨大。
也许有人会说，讲“国产替代”太低级，应该强调“先进器件引领系统发展”。张波教授表示，确实，引领系统发展是我们“芯片人”的使命，但如果没看见“国产替代”这样一个大市场，不踏踏实实一步步做起，正视现状，夯实基础，我们的半导体行业也许很难成长起来。
回过头来，我们特色工艺产品领域有市场空间，我们是否有发展特色工艺的产业基础？这些特色工艺产品市场我们是否有实力去占据？我们欣喜的看到，特色工艺的发展机遇已经被业内所认识，特色工艺中国正在崛起。我们先不讨论中芯国际是否坚持当年邱慈云邱总提倡的两条腿走路的思路，我们看到目前上海华虹宏力坚定的在持续推进特色工艺，华润微电子在积极发展特色工艺，士兰微在特色工艺上不断提升自己的能力，还有中国电子的积塔半导体、广州粤芯等许多新建12英寸生产线在积极建设中。这些已建或在建的特色工艺芯片生产线不光有IDM模式，还有大量的代工厂，这就给我国大量的特色产品设计公司提供了发展平台。
我们建了这样多特色工艺线，是否会产能过剩？我们来看这组数据，2018年台积电（TSMC）拥有1200万片12英寸晶圆产能，拥有1100万片8英寸晶圆产能，且8英寸晶圆产能较2013年增长540万片。一方面我们在建的生产线的所有产能加起来都没有台积电大，另一方面从台积电这家芯片代工龙头企业的产能数据看，发展特色工艺符合行业发展的趋势。
这次中美贸易战特别是中兴、华为事件，加上去、前年的市场缺货行情，给我国的整机企业敲了警钟，芯片的国产替代打开了更大的空间。
在特色工艺领域我们有市场空间、有产业基础，但我们能否占据这些市场空间，换句话说，中国特色工艺发展的挑战是啥？
张波教授表示，特色工艺平台众多、产品繁多，国际老牌的半导体企业通过自身发展和产业购并，产品系列丰富。相比较而言，我国相关企业产品体系单薄，对用户的供应链管理处于弱势。特色工艺所相关的特色产品常常是器件设计、工艺制造、产品封装、应用环境密切相关，国外特色工艺企业常常是IDM形态，而国内缺乏大型的IDM企业，导致产品同质化严重，竞争力缺乏。同时这些国外顶尖的特色企业大都具有悠久历史，产品经验丰富、人才集聚，能对市场需求快速研制出新的产品。
张波教授强调，尽管面临众多挑战，但从前面的分析中可以看出我们仍然有发展优势。我国是集成电路的市场大国，且大部分市场被国外产品占据，国产替代空间巨大；特色工艺产品与市场应用紧密相关，产品属性给予了我们发展的相对优势；目前复杂的国际政治、产业生态，给自主可控芯片发展提供了改革开放40年来前所未有的机遇；经过几代炎黄子孙的不懈努力，我们在特色工艺领域已具备加速发展的技术和产业基础。在上述因素的协同作用下，相信中国特色工艺具有很大的发展机遇。

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